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技术 | 绿色制造工艺技术在机械工业中的应用研究


随着机械工业的蓬勃发展,许多新型高效的先进机械加工工艺技术不断推陈出新的同时,却产生了资源和能源的巨大消耗及对生态环境的严重破坏。机械加工的负面影响越来越受到重视。为了合理利用资源、降低能源的消耗和减少对生态环境的破坏,绿色制造工艺技术在机械工业中的应用和推广势在必行。

制造业是产业革命的主力军,而机械制造在整个制造业中占有主导地位,因此绿色制造工艺技术在机械工业中的应用显得特别重要。对如何使绿色制造工艺技术在机械加工中得到更广泛的应用的研究具有重大的意义。

1绿色制造工艺技术

绿色制造工艺技术(Green Manufacture Technology)是以传统工艺技术为基础,并结合环境科学、材料科学、能源科学、控制技术等新技术的先进制造工艺技术。绿色制造工艺技术与传统工艺技术的最大区别在于后者只是根据市场信息设计生产和销售产品,对资源利用、能源消耗和环境方面考虑较少。而绿色制造工艺技术对生产制造活动的全过程进行最优控制,全面合理配置资源,最大限度地减少污染,充分发挥制造系统的效能,利用先进的制造技术和工艺方法,最终实现绿色制造的目标要求。

绿色制造工艺技术的最终目的是对资源和能源的合理利用以及减少对环境的污染。根据这个目标可以把绿色制造工艺技术划分为三种类型:节约资源型工艺技术、降低能耗型工艺技术、环境保护型工艺技术。

节约资源型工艺技术是指生产过程中简化工艺系统组成、节省原材料的消耗的工艺技术。降低能耗型工艺技术是指在生产工程中,降低能量损耗的工艺技术。环境保护性工艺技术是指通过一定的工艺技术,使生产过程中产生的废液、废气、废渣、噪声等对环境和操作者有影响或危害的物质尽可能减少或完全消除。

2绿色制造工艺技术在机械工业中的应用

2.1 节约资源型工艺技术在机械工业中的应用

节约资源工艺技术在机械工业中的应用可从设计和工艺两方面着手。在设计方面,通过减少零件数量、减轻零件重量、采用优化设计等方法使原材料的利用率达到最高;在工艺方面,可通过优化毛坯制造技术、优化下料技术、少无切削加工技术、干式加工技术、特种加工技术等方法减少材料消耗。

2.1.1 少无切削加工技术

在机械加工中,当满足零件结构性能要求的前提下,通过选择少切削或者无切削的加工工艺,如成型制造技术、轧制成型等来减少材料的使用量和资源的消耗。少无切削加工有节约材料,生产率高和成本低等优点,因此在机械工业领域得到越来越广泛的应用。汽车的部分零件正是利用了少无切削加工技术得到了长足的发展。减振螺钉是汽车配件之一,需求量大,成对组装使用,用橡胶弹性联接,能承受阻力。原工艺是采用金属棒料切削加工,材料利用率只用18.2%,生产率低。改用少无切削加工工艺之后,材料利用率由原来的18.2%提高到65.3%,金属流线分布合理,生产效率大大提高。

成型制造技术包括铸造、焊接、塑性加工(如锻造、冲压)等制造方法。目前它正从接近零件形状(Near Net Shape Process)向直接制成工件,即精密形或净化型(Net Shape Process)方向发展。采用这项制造技术可使有些零件或毛坯直接或稍加处理即可用于组成产品,从而大大减少原材料和能源的消耗,缩短生产周期,提高效率,降低成本,改善对环境的负面影响。

2.1.2 干式加工技术

目前机械加工多是在加工中心、数控机床或者普通机床上以切削液(包括切削液和磨削液等)的湿式加工的方式进行的。切削液的主要作用是降低加工温度,延长刀具耐用度,提高加工尺寸精度。但随着高速加工技术的迅速发展,切削液的使用量越来越大,其流量有时高达80~100l/min,大量的切削液的使用不仅对人体的健康造成威胁,而且对环境造成严重的污染,并且切削液难于处理,即使能处理,其处理成本也很高。因此,对干式加工技术的研究具有重要的意义。

顾名思义,干式加工(Dry Machining)就是在加工过程中不采用切削液的一种加工方法。干式加工简化了工艺系统,降低了加工成本,消除了因切削液的使用所带来的一系列环境污染问题。干式加工有两种方式,即完全干式加工和准干式加工。完全干式加工就是在加工过程中不用任何切削液的工艺方法,也就是通常所说的干式加工。这种加工方式对工具材料、机床结构、刀具装夹方式等均有较高的要求。

准干式加工(Near DryMachining-NDM)或最少切削液切削加工(Minimal Quantities of Lubricant-MQL)是一种介于湿式加工与干式加工之间的加工技术。准干式加工是将压缩空气和少量切削液混合气化后喷射到加工区,对刀具与工件之间进行的加工部位进行润滑。它所使用的切削液很少,约占湿加工的六万分之一,但其效果却十分明显。它弥补了完全干式加工应用范围的局限性和完全湿式加工的诸多不足,结合了两者的优点,既满足了加工的要求,又使与切削液有关的费用降至最低,并可取得与完全干式加工相同的效果。准干式切削技术只要使用适当,刀具、工件和切削必然是干燥的,因而可避免切削液的处理过程。目前干式加工中干切削(Dry Cutting)加工和干磨削(Dry Milling)加工是应用和研究较多的两种方法。美国Leistritz公司在加工丝杆时,先是在软的工件上加工出螺纹,再把有螺纹的工件淬硬,然后逐件精磨,加工一根丝杆需要近170个工时。为了提高生产效率,该公司采用GE超硬磨料公司的PCBN刀具进行旋风铣削加工,钢坯在精加工丝杠螺纹之前被淬硬,以硬旋风铣削取代软车削和精磨工序,明显提高了金属切除率,加工时间缩短为1.75小时,提高效率近100倍。

干磨削目前使用最多的方法是强冷风磨削,通过热交换器,把压缩空气用液氮冷却到-110度,然后经喷嘴喷到磨削点上。由于压缩空气温度很低,所以在磨削点上很少有火花出现,也几乎没有热量产生,因而工件变形极小,可得到10um以内的椭圆度。

2.1.3 特种加工技术

机械工业中切削和磨削是目前获得产品尺寸和形状的主要手段。其主要优点是可以得到极高的尺寸和形状精度,以及很小的表面粗糙度。但是其主要缺点是浪费原材料,加工效率低,对零件的表面材料性质有一定影响,且能耗大。并且对于有特殊要求的零件,用传统加工的方法难以达到要求,因此,各种异于传统加工方法的特种加工技术应运而生。目前,特种加工技术,包括电火花成形加工、电火花线切割加工、电解加工、化学加工、高能束加工、等离子体加工、超声加工、高压水射流加工、快速成型加工、磨粒流加工及各种复合加工,在难切削材料、复杂型面、精细表面、低刚度零件及模具加工等领域中已成为重要的工艺方法。特种加工与传动加工相比,有两大优点:一是特种加工使用的刀具硬度一般小于被加工材料的硬度。二是加工过程中工具与工件间不接触或者间接接触,因此不存在显著的受力,工件很少受到产生机械变形和热变形,有利于提高工件的光洁度和加工精度。特种加工的应用,极大地扩展了传统加工的范围,并且有效地提高了生产效率和加工质量,节约资源,保护环境。

2.2 降低能耗型工艺技术在机械工业中的应用

降低能耗型工艺技术在机械工业中的应用目前采用的方法主要有减磨、降耗或采用低能耗工艺等。通过应用这些方法,能有效地降低能源的消耗,节约资源,减少对环境的污染。

2.2.1 减磨

在机械工业中,节约能源的方法有多种途径。从润滑的角度来考虑,主要是减少摩擦损失。磨损大致可分为粘附磨损、疲劳磨损和微动磨损等。据统计,全世界每年的能源消耗,大约有33%~50%消耗于摩擦上。在机械零件的失效中,摩擦失效占6%~8%。可见减磨是降低能耗、节约能源的有效措施。润滑得当就可以有效地减少磨损,于是金属减磨剂就应运而生。适当的使用减磨剂能有效地减少摩擦,降低磨损,减少故障,延长零件的寿命。除了使用减磨剂外,还可以采用将金属抗磨剂加入到润滑油的方法来达到降耗的目的。将金属抗磨剂加入到润滑油中,在金属表面形成一种耐高温、高压的油膜层,牢固地附在金属的表面,这样就可以使机体的摩擦副表面被润滑油膜隔开而不直接接触。工作时由于润滑油膜的存在,机件的摩擦会变成润滑添加剂分子之间的摩擦,从而减少噪声,降低磨损,达到节约能源,提高经济效益的目的。以往用于改进润滑油性能的添加成分多为硫、磷类物质,最终排放到大气造成了严重的污染,而最近研究表明,以超音速气流将精致石墨加工到粒径小于0.5微粒,采用独特的工艺与配方,将石墨粉制作成空心分子团,使其能稳定悬浮与润滑油中,能有效地减少节油和降低能耗。经过试验表明,使用改种润滑油,节油率达10%,机件磨损率可降低80%,并且能够有效地降低汽车尾气中的有害气体,一氧化碳降低58%,碳氢下降38%。

2.2.2 采用低能耗工艺

机械加工中可以通过改进某些工艺的方法实现降低能耗。热处理是机械零件制造过程中的重要环节,是提高金属产品质量的一项重要技术。但是由于热处理能耗高和污染大,严重阻碍了其发展。可以通过改造热处理设备和改进热处理工艺的方法来实现“绿色热处理”。所谓绿色热处理(Green Heat Treatment),就是从节能,环保等方面出发,改造传统的热处理设备,改进传统的热处理工艺,加强热处理生产组织和技术管理,从而降低能耗,减少污染,提高劳动生产率和经济效益,保持热处理可持续发展的一项绿色工程。通过改进正火的工艺来降低能耗是一个较为突出的应用。球铁曲轴的常规热处理通常由正火和回火两道工序组成,但经过改进正火工序的方法,在过去20年里,能耗从过去的2520~2880Kw·h/t降到568-611Kw·h/t,下降幅度达到70%。球铁曲轴正火工艺的改进可以通过波动式正火工艺、低温石磨化正火--三断正火、破碎状铁素体二段正火、一段正火和零保温正火等方法来改进。并且通过实践证明,在采用一定的正火工艺的基础上取消曲轴正火后的回火式可行的,用树理统计方法分析,其疲劳强度及常规力学性能、曲轴尺寸精度和几何精度的稳定性跟曲轴回火与否都没有明显的区别。取消正火后的回火,每支曲轴可以节电4.4Kw·h,那么生产100万支,节电近500万度。经最近的研究,可以采用铁模覆砂铸造工艺来进一步降低能耗。该工艺是一项利用铸造余热正火的工艺,从根本上取消了正常的正火操作,每支曲轴可节电9.37Kw·h,若按工厂年产20万支曲轴,则每年节电近200万度。

2.3 环境保护型工艺技术在机械工业中的应用

目前最有效的方法是在工艺设计阶段全面考虑,如选用绿色材料,积极预防污染的产生。

材料选择在整个设计和开发过程中最先和最重要的设计决策,因此也是考虑环境问题的最主要因素。所谓绿色材料(Green Material)是指那些具有良好的使用性能或功能,且对资源和能源消耗少,对生态和环境影响和污染小,有利于人类健康,可再生利用率高或可降解循环利用,在制备、使用、废弃乃至再生循环利用的的整个过程中,都与环境协调共存的材料。选用材料时,在满足性能要求的前提下,应当优先选用绿色材料。

2.3.1 选用不用热处理的材料

在机械加工过程中,热处理对材料的使用寿命有很大的影响,同时也是耗能最大,对环境污染较大的工艺之一。因此,应尽量选用在热轧或冷拔状态即可达到性能要求的材料。

2.3.2 选择少用热处理的材料

机械加工中,在难以避免要对材料进行热处理时,应当优先考虑选择少热处理的材料,如低淬透性钢、低碳马氏体钢、贝氏体钢等。用低淬透性钢制造齿轮时,对它进行感应加热淬火可以部分取代合金渗碳钢的渗碳淬火,达到减少污染、降低能耗和节约合金元素使用的目的。低碳马氏体钢具有优良的综合机械性能,与调质后的中碳结构钢相当,某些性能甚至超过中碳结构钢,还具有良好的工艺性能。贝氏体钢具有良好的强韧性,而且省去了淬火工序,具有显著的经济效益。中高碳贝氏体钢主要用语橡胶及塑料模具以及矿井采煤运输机的大型齿条。中碳贝氏体钢主要用于铁路弹性扣件和车辆弹簧等。低碳贝氏体钢主要用于卡车前轴、连杆和半轴套管。

节约资源、降低能耗和保护环境是全世界人民的共同呼声,因此绿色制造已经是世界工业发展的潮流和趋势。而机械工业在整个工业中占有主导地位,因此,推广绿色制造工艺技术在机械工业中的应用是当务之急。但是目前绿色制造工艺技术在机械工业中的应用尚处于起步阶段,只有通过不断优化和改进现有工艺,开发新型工艺,加强节约资源型工艺技术、降低能耗型工艺技术、环境保护型工艺技术在机械工业中的应用,才会推动绿色制造工艺技术在机械工业中的广泛应用。


文章来源:e-works


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点击次数:  更新时间:2016-06-28 14:00:21  【打印此页】  【关闭